曹臣鵬實(shí)驗(yàn)7 用球體法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)

天津大學(xué)熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)校院系：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院指導(dǎo)教師：劉靖學(xué)生姓名：曹臣鵬準(zhǔn)考證號(hào)：020213400346實(shí)驗(yàn)7用球體法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)用球體法測(cè)定粒狀材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法。了解溫度測(cè)量過(guò)程及溫度傳感元件。二、實(shí)驗(yàn)原理1.導(dǎo)熱的定義：導(dǎo)熱是指物體內(nèi)的不同部位因溫差而發(fā)生的傳熱，或不同溫度的兩物體因直接接觸而發(fā)生的傳熱。2.溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)t=f（x,y,z,）穩(wěn)態(tài)t=f(x,y,z)一維穩(wěn)態(tài)t=f(x)上式中x,y,z為空間坐標(biāo)，為時(shí)間3溫度梯度等溫面法向溫度增量△t與距離n的極限比值的極限。即：4傅里葉定律傅里葉定律的文字表述：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。Q=-=-其中Q為導(dǎo)熱量，單位為W；A為傳熱面積，單位為m2；T為溫度，單位為K；x為在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，單位為m。5．導(dǎo)熱系數(shù)=-;為導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.k6.影響的因素1）溫度、密度、濕度及材料的種類(lèi)的等因素。對(duì)流傳熱過(guò)程是流體與壁面間的傳熱過(guò)程，所以凡是與流體流動(dòng)及壁面有關(guān)的因素，也必然影響對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)表明傳熱系數(shù)值與流體流動(dòng)產(chǎn)生的原因。流體的流動(dòng)形態(tài)、流體的物性、流體有無(wú)相變和加熱面的幾何形狀、尺寸、相對(duì)位置等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)對(duì)性質(zhì)相近的流體，強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)大于自然對(duì)流的傳熱系數(shù)。湍流流動(dòng)的對(duì)流傳熱系數(shù)大于層流流動(dòng)的對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)于同一種流動(dòng)形態(tài)，流速越大，對(duì)流傳熱系數(shù)越大。流體的物性有流體的粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、體積膨脹系數(shù)等。對(duì)于有相變的傳熱，還有相變熱的影響，除粘度外，其余的物性，隨著其增加，對(duì)流傳熱系數(shù)相應(yīng)增大。對(duì)于同一種流體，有相變的傳熱系數(shù)大于無(wú)相變的傳熱系數(shù)。傳熱的形狀、大小、相對(duì)位置影響傳熱，如冬天房間采暖，應(yīng)將加熱壁面放置空間的下部，反之，夏天的冷卻裝置，應(yīng)放置空間的上部。2)與溫度呈線性關(guān)系7.一維穩(wěn)態(tài)圓筒壁導(dǎo)熱公式的推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱柱坐標(biāo)系：圓筒壁就是圓管的壁面。當(dāng)管子的壁面相對(duì)于管長(zhǎng)而言非常小，且管子的內(nèi)外壁面又保持均勻的溫度時(shí)，通過(guò)管壁的導(dǎo)熱就是圓柱坐標(biāo)系上的一維導(dǎo)熱問(wèn)題。一維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源、常物性：第一類(lèi)邊界條件：對(duì)上述方程(a)積分兩次:圓筒壁內(nèi)部的熱流密度和熱流分布：求導(dǎo)熱流密度：熱流量：8.球體法適用于測(cè)定顆粒狀(或粉末)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。如圖2所示。熱導(dǎo)率是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量，其單位為W/(m·K)，對(duì)于不同的材料，熱導(dǎo)率是不同的。對(duì)于同一種材料，熱導(dǎo)率還取決于它的化學(xué)純度，物理狀態(tài)（溫度、壓力、成分、容積、重量和吸濕性等）和結(jié)構(gòu)情況。各種材料的熱導(dǎo)率都是專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的，然后匯成圖表，工程計(jì)算時(shí)，可以直接從圖表中查取。球體法就是應(yīng)用沿球半徑方向一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本原理測(cè)定粒狀和纖維狀材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。設(shè)有一空心球體，若內(nèi)外表面的溫度各為t1和t2并維持不變，根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律：（1）邊界條件（2）1、若λ=常數(shù)，則由（1）（2）式求得[W][W/(m·K)](3)2、若λ≠常數(shù)，（1）式變?yōu)閳D2球殼導(dǎo)熱過(guò)程（4）由（4）式，得將上式右側(cè)分子分母同乘以（t2－t1），得(5)式中項(xiàng)顯然就是λ在t1和t2范圍內(nèi)的積分平均值，用表示即，工程計(jì)算中，材料的熱導(dǎo)率對(duì)溫度的依變關(guān)系一般按線性關(guān)系處理，即。因此，。這時(shí)，(5)式變?yōu)閇W/(m·K)]（6）式中，為實(shí)驗(yàn)材料在平均溫度下的熱導(dǎo)率，為穩(wěn)態(tài)時(shí)球體壁面的導(dǎo)熱量，分別為內(nèi)外球壁的溫度，分別為球壁的內(nèi)外直徑。實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)測(cè)出和，并測(cè)出，然后由（3）或（6）得出。如果需要求得λ和t之間的變化關(guān)系，則必須測(cè)定不同下的值，由（7）可求的值，得出λ和t之間的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成包括：球體導(dǎo)熱儀本體、實(shí)驗(yàn)臺(tái)手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字儀表測(cè)量系統(tǒng)。球體導(dǎo)熱儀本體是兩個(gè)球殼同心套裝在一起，內(nèi)球殼外徑為d1，外球殼內(nèi)徑為d2，在兩球殼之間填充實(shí)驗(yàn)粒狀材料，熱量由裝入內(nèi)球殼中的球`形電加熱器加熱得到。熱量穿過(guò)內(nèi)球壁和被測(cè)材料到外球殼，外球殼通過(guò)自然空氣對(duì)流方式進(jìn)行冷卻。內(nèi)外球殼分別埋設(shè)2對(duì)熱電偶，由于對(duì)流狀況不一樣，故需測(cè)量多次，并取其平均值作為球殼溫度。安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)要注意不能讓實(shí)驗(yàn)室的日光燈直接照射到在到球體上，實(shí)驗(yàn)人員也要禁止走動(dòng)，以防對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。球體法便于測(cè)定各種散狀物料（如沙子、礦渣、石灰等）的導(dǎo)熱系數(shù)。手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作完成手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，功率測(cè)量由電壓表和電流表檢測(cè)得到，溫度測(cè)量由電位差計(jì)檢測(cè)得到。計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)主畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量值等。數(shù)字儀表測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字儀表機(jī)柜，直接測(cè)量得到球壁溫度值和熱流功率值。實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)所在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電壓表、電流表工作量程及指針讀數(shù)單位換算。學(xué)會(huì)用電位差計(jì)測(cè)量熱電偶信號(hào)操作要領(lǐng)。對(duì)球體進(jìn)行加熱，待加熱穩(wěn)定后，記錄4個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，讀表得到電壓、電流數(shù)據(jù)，以后每隔5~8分鐘測(cè)一次，實(shí)驗(yàn)中再取2次內(nèi)外殼的溫度，再分別取平均值，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表7-1中。改變電功率，重復(fù)以上步驟，重復(fù)1次。測(cè)得mv再查銅鏮銅mv-t曲線/表得出to。圖3球體導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)裝置原理結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理完成表7-1、表7-2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算及整理工作。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.結(jié)合課堂講授的理論及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生要提供自編的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)。2.學(xué)生要根據(jù)自己所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立認(rèn)真地撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、觀察現(xiàn)象的文字描述層次清晰并應(yīng)結(jié)合理論教學(xué)中的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出分析和評(píng)價(jià)。七、思考題1．簡(jiǎn)述用球體法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)？2．如果安裝內(nèi)外球殼時(shí)略有偏心，導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定是否會(huì)受到影響？為什么3．試說(shuō)明懸掛在空中的實(shí)驗(yàn)球體，外球殼表面的換熱方式？如果球殼表面有空氣流動(dòng)或有陽(yáng)光照射，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量有沒(méi)有影響？為什么？表7-1實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表記錄人：同組人：時(shí)間：實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)球殼溫度內(nèi)球殼溫度℃外球殼溫度℃試材名稱(chēng)測(cè)量12341234mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃1容重23外球直徑內(nèi)平均溫度t1=外平均球溫度t2=內(nèi)球直徑加熱功率電壓U(V)電流I(A)功